Кафедра материаловедения электронной техники

Лабораторная работа №14.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ТВЁРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ.

1. Цель работы и её краткое содержание.

Целью работы является исследование температурно-частотных зависимостей диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ твёрдых диэлектриков.

2. Теоретические сведения.

ПОВЕДЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

2.1 Поляризация диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость.

Характерным процессом для любого диэлектрика, помещённого в электрическое поле, является поляризация - смещение связанных зарядов или ориентация дипольных частиц. О явлениях, обусловленных поляризацией, можно судить по значениям диэлектрической проницаемости ε, угла диэлектрических потерь δ и его тангенса tgδ. В состоянии поляризации любой объём диэлектрика обладает электрическим моментом. Способность материала поляризоваться в электрическом поле характеризуется диэлектрической проницаемостью:

, (1)

где С_Д - ёмкость конденсатора с диэлектриком, С₀ - ёмкость того же конденсатора в вакууме.

Поляризация диэлектрика, помещённого в электрическое поле напряжённостью Е, сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов. Они уменьшают напряжённость поля внутри материала до величины Е_Д = Е - Е_П, где Е_П - напряжённость поля поляризации. Поле в диэлектрике ослабляется в ε раз:

, (2)

Так как всегда Е_Д≥E, то всегда ε≥l (равенство в случае вакуума).

Рис.1. Диэлектрик в электрическом поле.

Существуют два основных механизма поляризации, происходящей под действием электрического поля:

- упругая или мгновенная, не вызывающая выделения тепла, т.е. потерь энергии;

- релаксационная или замедленная, тепловая, сопровождающаяся рассеянием энергии в диэлектрике, т.е. его нагревом.

По первому механизму происходят электронная и ионная (атомная) поляризации, остальные виды - по релаксационному.

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов или ионов. Время установления электронной поляризации около 10^-15 с. Она наблюдается на всех частотах у всех видов диэлектрических материалов и не связана с потерями энергии. Диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом температуры благодаря тепловому расширению диэлектрика и уменьшению числа частиц в единице объёма. Изменение ε при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости:

. (3)

Ионная поляризация представляет собой смещение упруго связанных ионов на расстояния, меньшие одного атомного диаметра. Время установления ионной поляризации около 10^-13 с. Она наблюдается в диэлектриках с ионным строением. С увеличением температуры увеличиваются расстояния между ионами, что сопровождается ослаблением сил упругой связи и возрастанием поляризованности диэлектрика.

В случае упругой поляризации ε не зависит от частоты приложенного поля, так как время установления поляризации ничтожно мало по сравнению с периодом изменения этого поля, и поляризация успевает осуществиться при самых больших частотах. Значение ε при этом невелико.

Дипольно-релаксационная поляризация представляет собой ориентацию дипольных частиц, находящихся в тепловом хаотическом движении, при воздействии внешнего поля.

Рис. 2. Расположение дипольных частиц в отсутствие внешнего поля (а) и при его воздействии (б).

Дипольно-релаксационная поляризация происходит, если молекулярные силы не мешают ориентации диполей по направлению поля. С увеличением температуры силы молекулярного взаимодействия ослабляются, вязкость вещества снижается, что усиливает дипольно-релаксационную поляризацию. Однако параллельно с этим происходит конкурирующий процесс усиления хаотического колебания частиц, возрастает энергия их теплового движения, что затрудняет ориентацию диполей в направлении поля. Поэтому с увеличением температуры поляризация сначала возрастает, достигает максимума при t_к, а затем снижается.

При увеличении частоты максимум кривой сдвигается в область высоких температур, так как при одинаковой вязкости среды ориентация диполей происходит более легко при меньшей частоте.

После снятия электрического поля ориентация диполей ослабляется под действием тепловых колебаний молекул. Это ослабление характеризуется временем релаксации τ₀. Время релаксации - это промежуток времени, в течение которого упорядоченность полем диполей после снятия поля уменьшается вследствие теплового движения в е раз от первоначального значения, т.е. система из неравновесного состояния приближается к равновесному. Чем выше температура, тем меньше силы молекулярного сопротивления повороту диполей в вязкой среде, тем меньше время релаксации.

Рис.3. Зависимость ε от температуры и частоты.

Разновидностью дипольно-релаксационной поляризации является дипольно-радикальная, обусловленная поворотом не самой молекулы, а имеющихся в ней полярных радикалов относительно её оси. Этот вид поляризации характерен для твёрдых органических диэлектриков.

Ионно-релаксационная поляризация представляет собой смещение слабо связанных ионов материала в направлении приложенного поля на расстояния, превышающие один атомный диаметр. Ионно-релаксационная поляризация характерна для неорганических стёкол и некоторых ионных кристаллических материалов с неплотной упаковкой ионов.

Электронно-релаксационная поляризация возникает вследствие возбуждения тепловой энергией избыточных электронов. Этот вид поляризации присущ диэлектрикам с электронным типом проводимости, например, титан содержащей керамике.

Миграционная поляризация проявляется в диэлектриках при наличии макроскопических неоднородностей или примесей. Эта поляризация проявляется при низких частотах и сопровождается потерями энергии.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация, в отличие от рассмотренных выше видов, существует в отсутствие внешнего электрического поля, характерна для активных (нелинейных) диэлектриков и сопровождается значительными потерями энергии.

Классификация диэлектриков по механизмам поляризации.

В зависимости от влияния напряжённости внешнего электрического поля на значение диэлектрической проницаемости все диэлектрики могут быть разделены на две группы:

- линейные (пассивные), для которых ε ≠ f(Е);

- нелинейные (активные), для которых ε = f(Е).

В свою очередь линейные можно разделить на несколько групп по видам поляризации:

- неполярные диэлектрики характеризуются в основном электронной поляризацией и малыми диэлектрическими потерями. Их молекулы обладают центральной или осевой симметрией (водород, бензол, полиэтилен, фторопласт-4 и т.д.);

- полярные (дипольные) диэлектрики характеризуются наличием электронной и дипольно-релаксационной или дипольно-радикальной видами поляризации, имеют более высокие диэлектрические потери. Несимметричность строения молекул приводит к сдвигу суммарного электрического заряда. К полярным диэлектрикам относятся фторопласт-3, полиметилметакрилат, фенолформальдегидные, эпоксидные, полиамидные смолы и т.д.;

- диэлектрики с ионной и электронной поляризацией. Они имеют низкие диэлектрические потери. К ним относятся материалы с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, корунд, рутил);

- диэлектрики с ионной, электронной и релаксационной поляризацией. Они характеризуются высокими диэлектрическими потерями. К ним принадлежат неорганические стекла, некоторые виды керамики.